اکنون زنده: سلول های زنده را می توان با نور مادون قرمز دید

برای تسریع نوآوری‌های بیوتکنولوژی، مانند توسعه درمان‌های دارویی نجات دهنده، دانشمندان تلاش می‌کنند تا راه‌های سریع‌تر، کمی‌تر و گسترده‌تر را برای مشاهده مولکول‌های زیستی در سلول‌های زنده ایجاد کنند.

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) روش جدیدی ابداع کرده‌اند که به استفاده از نور مادون قرمز (IR) برای ثبت تصاویر واضح از مولکول‌های زیستی درون سلول‌ها اجازه می‌دهد، چیزی که قبلاً به دلیل تمایل آب در سلول‌ها امکان‌پذیر نبود. سلول ها برای جذب اشعه مادون قرمز روش جدید اثرات پنهانی آب را در اندازه‌گیری‌های مبتنی بر IR حذف می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد تا میزان مولکول‌های زیستی کلیدی را در سلول‌ها، مانند پروتئین‌هایی که عملکرد سلول را هدایت می‌کنند، تعیین کنند. توانایی اندازه گیری تغییرات در سلول های زنده می تواند پیشرفت در تولید زیستی، توسعه سلول درمانی، توسعه دارو و موارد دیگر را سرعت بخشد.

یافته های آنها در منتشر شده است شیمی تجزیه.

تابش مادون قرمز نوری است که درست فراتر از آن چیزی است که برای چشم انسان قابل مشاهده است. اگرچه ما نمی توانیم نور IR را ببینیم، اما می توانیم آن را به صورت گرما احساس کنیم. در میکروسکوپ IR، یک ماده مورد علاقه، تابش طیف وسیعی از طول موج‌ها را در طیف IR جذب می‌کند. دانشمندان طیف جذب IR یک نمونه را اندازه گیری و تجزیه و تحلیل می کنند و مجموعه ای از “اثر انگشت” را برای شناسایی مولکول ها و سایر ساختارهای شیمیایی تولید می کنند. با این حال، آب، فراوان ترین مولکول داخل و خارج سلول، مادون قرمز را به شدت جذب می کند و جذب مادون قرمز از سایر مولکول های زیستی در سلول ها را می پوشاند.

یکی از راه‌های درک این اثر پوشش نوری، مقایسه آن با زمانی است که یک هواپیما از بالای سر در کنار خورشید می‌گذرد. با چشم غیرمسلح، دیدن هواپیما به دلیل خورشید سخت است، اما اگر از یک فیلتر مخصوص ضد آفتاب استفاده کنید، می توانید هواپیما را به راحتی در آسمان ببینید.

یانگ جونگ، شیمیدان NIST گفت: «در این طیف، آب مادون قرمز را به شدت جذب می‌کند و ما می‌خواهیم طیف جذب پروتئین‌ها را از طریق پس‌زمینه ضخیم آب ببینیم، بنابراین ما سیستم نوری را برای باز کردن سهم آب و آشکار کردن سیگنال‌های پروتئین طراحی کردیم.» لی

لی یک روش ثبت اختراع را توسعه داد که از یک عنصر نوری برای جبران جذب آب از IR استفاده می کند. این تکنیک که جبران جذب حلال (SAC) نامیده می‌شود، با میکروسکوپ لیزر IR دست ساخته برای تصویربرداری از سلول‌هایی که از تشکیل بافت همبند به نام سلول‌های فیبروبلاست پشتیبانی می‌کنند، استفاده شد. طی یک دوره 12 ساعته مشاهده، محققان توانستند گروه‌هایی از مولکول‌های زیستی (پروتئین‌ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک) را در طول مراحل چرخه سلولی، مانند تقسیم سلولی، شناسایی کنند. در حالی که این ممکن است طولانی به نظر برسد، این روش در نهایت سریعتر از جایگزین های فعلی است، که به زمان پرتو در یک مرکز بزرگ سنکروترون نیاز دارند.

این روش جدید که SAC-IR نام دارد، بدون برچسب است، به این معنی که به هیچ رنگ یا نشانگر فلورسنتی نیاز ندارد، که می‌تواند به سلول‌ها آسیب برساند و همچنین نتایج ثابت کمتری را در آزمایشگاه‌ها ایجاد کند.

روش SAC-IR محققان NIST را قادر می سازد تا جرم مطلق پروتئین ها را در یک سلول، علاوه بر اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و کربوهیدرات ها اندازه گیری کنند. این تکنیک می‌تواند به ایجاد پایه‌ای برای روش‌های استاندارد برای اندازه‌گیری مولکول‌های زیستی در سلول‌ها کمک کند، که می‌تواند در زیست‌شناسی، پزشکی و بیوتکنولوژی مفید باشد.

برای مثال، در سلول درمانی سرطان، وقتی سلول‌های سیستم ایمنی بیمار برای شناسایی بهتر و کشتن سلول‌های سرطانی قبل از معرفی مجدد به بیمار اصلاح می‌شوند، باید پرسید: آیا این سلول‌ها ایمن و مؤثر هستند؟ لی گفت: روش ما می تواند با ارائه بینش بیشتر در مورد تغییرات بیومولکولی در سلول ها برای ارزیابی سلامت سلول مفید باشد.

سایر کاربردهای بالقوه شامل استفاده از سلول‌ها برای غربالگری دارو، چه در کشف داروهای جدید و چه در درک ایمنی و کارایی یک داروی کاندید است. برای مثال، این روش می‌تواند به ارزیابی قدرت داروهای جدید با اندازه‌گیری غلظت مطلق مولکول‌های زیستی مختلف در تعداد زیادی از سلول‌های منفرد، یا تجزیه و تحلیل نحوه واکنش انواع مختلف سلول‌ها به داروها کمک کند.

محققان امیدوارند این روش را بیشتر توسعه دهند تا بتواند مولکول های زیستی کلیدی دیگر مانند DNA و RNA را با دقت بیشتری اندازه گیری کند. این تکنیک همچنین می‌تواند به ارائه پاسخ‌های دقیق به پرسش‌های اساسی در زیست‌شناسی سلولی کمک کند، مانند اینکه چه امضای مولکول‌های زیستی با زنده ماندن سلول مطابقت دارد – به عبارت دیگر، آیا سلول زنده است، می‌میرد یا مرده است.

برخی از سلول‌ها برای ماه‌ها یا سال‌ها در حالت یخ زده نگهداری می‌شوند، سپس برای استفاده بعدی ذوب می‌شوند. ما هنوز به طور کامل نمی دانیم که چگونه می توان سلول ها را با حداکثر ماندگاری ذوب کرد. لی گفت: با قابلیت‌های اندازه‌گیری جدیدمان، ممکن است بتوانیم فرآیندهای بهتری را برای انجماد و ذوب سلول‌ها با نگاه کردن به طیف‌های مادون قرمز آنها توسعه دهیم.

---

مقاله: یو-رن چانگ، سونگ مین کیم و یانگ جونگ لی. تصویربرداری IR Benchtop از سلول های زنده: نظارت بر جرم کل زیست مولکول ها در سلول های منفرد. شیمی تجزیه. منتشر شده آنلاین در 4 سپتامبر 2024. DOI: 10.1021/acs.analchem.4c02108